王銀輝 袁峰

摘 要：在SAE J1939（以下簡稱J1939）的基礎(chǔ)上，制定環(huán)衛(wèi)上裝CAN總線通訊協(xié)議應(yīng)遵循的基本原則。結(jié)合純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。依據(jù)現(xiàn)有通訊協(xié)議，計(jì)算與實(shí)測負(fù)載率，并通過理論與實(shí)踐的綜合對(duì)比分析，優(yōu)化CAN總線通訊方案，降低總線負(fù)載率，提升總線通訊質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車;上裝;CAN總線;研究

中圖分類號(hào)：U469.72? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-68-04

Abstract： According to SAE J1939 （hereinafter referred to as J1939）， Sanitation with CAN bus communication protocol should be formulated in compliance with the basic principles. Combined with pure electric sanitation vehicle control system structure characteristics， design the CAN network architecture. According to the communication protocol， the load rate of the Sanitation CAN bus is calculated and measured， and the CAN bus communication scheme is optimized through the comprehensive comparative analysis of theory and practice to reduce the load rate of the bus and improve the communication quality.

Keywords： Pure electric sanitation vehicle; Bodywork; CAN bus; Research

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-68-04

引言

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，我國政府將電動(dòng)汽車列入國家863計(jì)劃。特別是環(huán)境養(yǎng)護(hù)類的環(huán)衛(wèi)車輛，國家及各地方政府更是給予了有力的支持。各環(huán)衛(wèi)裝備企業(yè)重點(diǎn)開發(fā)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的整車技術(shù)，而純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝動(dòng)力系統(tǒng)的總線通訊系統(tǒng)也是的關(guān)鍵技術(shù)之一。

CAN總線是目前在汽車及工程機(jī)械上應(yīng)用最廣泛的通訊協(xié)議。為了實(shí)施總線協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作，美國電氣工程師協(xié)會(huì)（SAE）基于CAN總線制定了適用于載貨汽車和大客車的J1939協(xié)議，并得到了廣泛的應(yīng)用。它能有效保證環(huán)衛(wèi)車輛上裝作業(yè)功能的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。

由于新能源汽車與環(huán)衛(wèi)上裝動(dòng)力系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)差異較大，在新能源汽車底盤上成功應(yīng)用的總線協(xié)議并不能照搬到上裝系統(tǒng)上。國內(nèi)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝動(dòng)力系統(tǒng)的研究還處于探索階段，上裝CAN總線通訊物理層和應(yīng)用層協(xié)議及管理規(guī)范并不統(tǒng)一，導(dǎo)致總線通訊質(zhì)量較差、負(fù)載率較高，進(jìn)一步的影響上裝作業(yè)穩(wěn)定性。因此，本文制定出針對(duì)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝動(dòng)力系統(tǒng)的CAN通訊協(xié)議規(guī)范，使總線負(fù)載率工作在合理水平（30%）以下，并在實(shí)際使用中進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)促進(jìn)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重實(shí)大用意義。

本文依據(jù)J1939協(xié)議規(guī)范，在設(shè)計(jì)純電動(dòng)洗掃車上裝動(dòng)力系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，制定適用于純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝通訊物理層、數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用協(xié)議，通過理論值與實(shí)測網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量對(duì)比分析，制定低負(fù)載率穩(wěn)定可靠的上裝通訊技術(shù)規(guī)范。

1 通訊協(xié)議制定原則

在實(shí)際工程應(yīng)用中，CAN總線協(xié)議的制定一般包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。J1939協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層做了完整的定義，此部分不可更改，需要完全參照。因此，CAN通訊協(xié)議的制定主要包括物理層和應(yīng)用層兩個(gè)方面。

1.1 物理層

物理層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中電控單元（ECU）的電氣連接[1]。J1939協(xié)議對(duì)物理層設(shè)計(jì)做了規(guī)范化指導(dǎo)，包括屏蔽雙絞線、非屏蔽雙絞線兩種物理連接方式。

純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝采用底盤動(dòng)力電池提供直流電源，電壓高達(dá)500V以上，同時(shí)，上裝動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)及逆變器工作電流大、IGBT原件開關(guān)頻率高，上裝高壓運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較大的電磁輻射，對(duì)CAN總線的錯(cuò)誤幀、負(fù)載率有較大影響。故總線物理層參照J(rèn)1939-11屏蔽雙絞線連接方式。

J1939-11物理層定義，物理介質(zhì)采用屏蔽雙絞線，雙絞線特性阻抗120Ω，功率要求最小400mW，特性阻抗位于網(wǎng)絡(luò)兩端。物理連接推薦CAN屏蔽雙絞線，屏蔽采用單點(diǎn)接地屏蔽，屏蔽剖析如下圖：

推薦通訊波特率250kb/s，通訊網(wǎng)絡(luò)干線長度不大于40m，分支長度不大于1m。網(wǎng)段上ECU數(shù)目最多30個(gè)，實(shí)際應(yīng)用過程中，ECU的數(shù)目取決于總線的電氣負(fù)載及總線負(fù)載率（負(fù)載率不大于30%），網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用直線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖2。

1.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層用來完成標(biāo)識(shí)符的分配、多報(bào)文數(shù)據(jù)包的傳輸、報(bào)文的發(fā)送和接受等功能[2]。由于和實(shí)際的應(yīng)用有很大的關(guān)聯(lián)性，CAN協(xié)議沒有對(duì)應(yīng)用層做出明確的規(guī)定，J1939的定義也只適用于特定的應(yīng)用場合。

本文純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議遵循J1939規(guī)范，充分考慮上裝系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配固定的標(biāo)識(shí)地址;同時(shí)綜合考慮各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求、數(shù)據(jù)的相對(duì)重要程度、控制算法對(duì)節(jié)點(diǎn)處理速度的要求等因素后，完成標(biāo)識(shí)符ID分配、定義消息周期以及確定與消息的映射關(guān)系等。

參照SAE J1939協(xié)議的PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）定義純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝系統(tǒng)的CAN應(yīng)用層。通過PDU定義了一個(gè)基本框架，由數(shù)據(jù)幀中的標(biāo)識(shí)符ID和數(shù)據(jù)場，用來組織數(shù)據(jù)幀中J1939協(xié)議相關(guān)的信息，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示：

優(yōu)先級(jí)P用來優(yōu)化報(bào)文傳輸延時(shí)，新參數(shù)組分配或網(wǎng)絡(luò)負(fù)載需要時(shí)，可以調(diào)整優(yōu)先級(jí)。保留位R來說始終置0，R與DP共同決定了報(bào)文ID的結(jié)構(gòu)，是PGN的一部分，該位保留未來使用。

格式選擇位PF用來確定PDU的兩種格式。當(dāng)PF為0～239（00～EF）時(shí)，表示該報(bào)文為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送，向特定或全局地址發(fā)送，此時(shí)PS的值表示該報(bào)文要發(fā)送的目標(biāo)地址。當(dāng)PF為244～255（F0～FF）時(shí)，表示該報(bào)文為廣播式發(fā)送，向全局地址發(fā)送，此時(shí)PS用來標(biāo)識(shí)參數(shù)組。

原地址SA用來標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，保證CAN數(shù)據(jù)ID的唯一。該數(shù)據(jù)包含8位，其分配與管理由J1939-81描述。該部分主要規(guī)定了底盤相關(guān)報(bào)文ID參考，純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝系統(tǒng)，相關(guān)ECU的標(biāo)識(shí)符參考J1939-81部分，但不可與其它ECU標(biāo)識(shí)符重復(fù)。

2 上裝動(dòng)力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝主要負(fù)載為風(fēng)機(jī)、水泵和油泵，均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器數(shù)量較多，再加上上裝上裝控制和顯示元件，整個(gè)通訊架構(gòu)異常復(fù)雜。圖3給出了一款洗掃車上裝動(dòng)力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

純電動(dòng)洗掃車上裝動(dòng)力系統(tǒng)包括底盤電力電子單元、上裝控制器、三合一集成控制器（集成風(fēng)機(jī)電機(jī)控制器、油泵電機(jī)控制器和水泵電機(jī)控制器）。實(shí)際應(yīng)用中，上裝輔助控制系統(tǒng)還應(yīng)包括顯示屏、控制面板、音樂喇叭等。根據(jù)ECU的功能。進(jìn)而上裝系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)不同的應(yīng)用場合，節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以相應(yīng)增加或減少。上裝系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖4：

3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

在第二章節(jié)中已確定各ECU拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本章節(jié)以電機(jī)控制器和上裝控制器為例，介紹通信協(xié)議制定的基本要求。一是明確各ECU的源地址分配、輸出參數(shù)以及參數(shù)組定義。二是反映各ECU的狀態(tài)信息和控制指令，最大程度考慮上裝系統(tǒng)所需參數(shù)。如：電機(jī)和控制器需要反應(yīng)各自的當(dāng)前工作狀態(tài)，如電壓、電流、溫度和故障等;上裝控制器需要發(fā)送相應(yīng)的上電、使能、轉(zhuǎn)速等指令。三是遵循J1939中所定義的字節(jié)長度、分辨率和偏移量來制定通訊協(xié)議內(nèi)容。四是遵循J1939中所定義選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)送周期。

3.1 源地址分配

J1939標(biāo)準(zhǔn)中沒有純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝部分的相關(guān)節(jié)點(diǎn)定義。為此，新節(jié)點(diǎn)定義過程中，不可與J1939中原有標(biāo)識(shí)符相同，也不可與底盤其它節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符重復(fù)，以保證各節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符的唯一性，參見表2。

3.2 ECU輸出參數(shù)定義

根據(jù)純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車洗掃產(chǎn)品上裝所需實(shí)現(xiàn)的控制功能，定義各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出參數(shù)表。參數(shù)表包含了節(jié)點(diǎn)所需要廣播到總線上的信號(hào)，并制定信號(hào)的發(fā)送周期、數(shù)據(jù)長度、分辨率、偏移量。給出了以風(fēng)機(jī)電機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)為例，列舉部分參數(shù)信息，參見圖5。其它節(jié)點(diǎn)協(xié)議制定均應(yīng)遵循該參數(shù)規(guī)定，本文不再列舉。

4 總線負(fù)載率計(jì)算及實(shí)測驗(yàn)證

業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為CAN總線負(fù)載率就是總線上數(shù)據(jù)傳輸速率與理論上最大數(shù)據(jù)傳輸速率的比值。CAN總線負(fù)載率的高低，直接關(guān)系到總線的通訊質(zhì)量。如總線負(fù)載率較高，直接會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行不及時(shí)，嚴(yán)重情況下可直接導(dǎo)致總線網(wǎng)絡(luò)崩潰，大量數(shù)據(jù)丟幀。所以在CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將負(fù)載率控制在30%以下為宜。下表3給出了各傳輸報(bào)文的發(fā)送周期及每秒發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)。

根據(jù)上表3統(tǒng)計(jì)，上裝CAN網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)，理論上每秒總線發(fā)送報(bào)文195條，根據(jù)J1939-11規(guī)定，總線波特率為250kb/s。所以理論負(fù)載率為 。設(shè)計(jì)理論值小于合理水平，方案可行。經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證，實(shí)測總線負(fù)載率如下圖6所示：

經(jīng)實(shí)測總線平均負(fù)載率為10.27%，接近理論值。最高負(fù)載率為25.44%，無錯(cuò)誤幀現(xiàn)象，負(fù)載率總體小于30%意向值。同時(shí)，根據(jù)總線CAN數(shù)據(jù)傳輸圖像圖7，整體信號(hào)傳輸平穩(wěn)， CAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量良好。雖存在部分干擾噪音，由于物理層嚴(yán)格按照J(rèn)1939-11規(guī)范設(shè)計(jì)，差分信號(hào)非常穩(wěn)定。

5 負(fù)載率降低及總線優(yōu)化方案與應(yīng)用

根據(jù)以上理論分析與實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)踐結(jié)果均接近理論值，整體方案可靠可行?？傮w設(shè)計(jì)依據(jù)J1939-11相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。但實(shí)車實(shí)際運(yùn)行過程中通過圖7可以觀測到存在部分干擾現(xiàn)象。如干擾較為嚴(yán)重情況下，可嚴(yán)重影響總線負(fù)載率情況，故需要排查干擾來源，優(yōu)化通訊質(zhì)量。

初步預(yù)測干擾噪音來自上裝高壓系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)排查更改優(yōu)化上裝高低壓布置、安裝、走線工藝規(guī)范。如圖8所示，實(shí)現(xiàn)高低壓系統(tǒng)分離布置安裝、高低壓走線避免平行交叉、高壓線束及相關(guān)連接部件屏蔽可靠接地。

高壓部分整改到位后，再次測試CAN總線信號(hào)傳輸情況。如下圖所示，干擾噪音情況基本排除，CAN_H、CAN_L信號(hào)傳輸穩(wěn)定，差分信號(hào)穩(wěn)定，總線網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量可靠良好。

高壓整改檢測總線信號(hào)傳輸穩(wěn)定，用周立功CAN卡在線檢測CAN網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率情況，最高負(fù)載率15%，相對(duì)原25.44%最高負(fù)載率得到明顯優(yōu)化效果，從實(shí)踐結(jié)果可以看出，以上制定的新能源環(huán)衛(wèi)車上裝CAN總線通訊系統(tǒng)穩(wěn)定、有效、可行。該通訊協(xié)議制定規(guī)則可同步推廣洗掃類、清洗類、運(yùn)輸類等各類型新能源環(huán)衛(wèi)車上裝通訊系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)上裝標(biāo)準(zhǔn)化通訊管理，提高上裝系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)時(shí)性。

該項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格遵循J1939規(guī)范，同時(shí)目前新能源環(huán)衛(wèi)車上裝系統(tǒng)CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)少于底盤。故CAN網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率理論值與實(shí)際值均小于意向值（30%）。后期隨著新能源環(huán)衛(wèi)上裝系統(tǒng)的不斷發(fā)展，應(yīng)用在上裝系統(tǒng)的ECU數(shù)目及CAN總線節(jié)點(diǎn)會(huì)不斷增加，必然會(huì)導(dǎo)致負(fù)載率的升高。對(duì)于此類情況的負(fù)載率優(yōu)化提升，可通過調(diào)整優(yōu)化報(bào)文數(shù)據(jù)的發(fā)送周期來實(shí)現(xiàn)。如：可將控制類報(bào)文發(fā)送周期設(shè)定為50ms，信息反饋設(shè)定200ms，版本信息相關(guān)報(bào)文設(shè)定500ms或條件觸發(fā)發(fā)送等。

6 結(jié)論

本文給出純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝CAN總線協(xié)議的基本制定原則和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)目前應(yīng)用層協(xié)議的不統(tǒng)一現(xiàn)狀，制定基于J1939的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，規(guī)范了物理層以及物理傳輸介質(zhì)。針對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量做進(jìn)一步研究，通過理論分析結(jié)合實(shí)車驗(yàn)證，得出實(shí)際負(fù)載率。

提出CAN總線通訊質(zhì)量優(yōu)化方案，制定高低壓系統(tǒng)技術(shù)工藝設(shè)計(jì)規(guī)范，減少高壓部件產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響。

純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上裝CAN總線協(xié)議還需進(jìn)一步充實(shí)和擴(kuò)展，比如在未來增加故障診斷功能。另外，智能網(wǎng)聯(lián)和無人駕駛是環(huán)衛(wèi)未來發(fā)展的主流方向。這就要求我們，在設(shè)計(jì)的初始階段，就應(yīng)該嚴(yán)格把控CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通訊質(zhì)量，將負(fù)載率降至最優(yōu)區(qū)間。

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